超声疲劳振动系统的分析与设计研究
发布时间：2021-11-13 15:57
近十几年来,功率超声技术在疲劳试验领域中开始见诸应用。相较于以电液伺服或电磁激振为激振方式的传统疲劳试验方法,超声疲劳试验技术具有频率高、时间短、能耗低、效率高等优点。作为功率超声技术的核心,以压电换能器为激励源的超声疲劳振动系统成为疲劳试验装备研究的热门话题,正逐步应用于工业领域中某些高强度或高寿命疲劳零部件的检测中。鉴于上述背景,本文以功率超声技术原理为切入点,对基于纵向复合式压电换能器的超声疲劳振动系统理论与设计相关问题进行分析与研究。本文主要内容如下:（1）对超声疲劳振动系统的构成和实现原理进行阐述,建立连续振动体的纵向和横向振动模型并求解动力学方程。在此基础上,本文分析了喇叭形纵向振动试件、对称悬臂形弯曲振动试件以及镶嵌形试件的振动原理,给出相应的振型函数、频率方程及放大系数,对三种试件的尺寸进行理论设计和有限元优化。（2）比较超声领域中常用的三种压电换能器特点,最终选用复合式压电换能器作为激振源;建立复合式换能器动力学模型及等效电路模型,分析换能器相关参数及其与换能器尺寸和材料之间的关系;从滞后阻尼的角度出发分析换能器的损耗特性。（3）设计一种可实现共振频率有级调节的新型换...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：106 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
齿轮的疲劳破坏
第1章绪论1第1章绪论1.1课题研究背景及意义1.1.1超声疲劳振动技术的提出水陆交通、桥梁建筑、航空航天等现代工程领域中存在大量处于交变工作环境的工程零部件，其主要失效形式为由交变载荷引起的疲劳磨损和疲劳破坏，比如汽车变速器齿轮（图1.1）或发动机曲轴（图1.2）在运行的某一时刻下突然断裂，造成严重的交通事故。据统计，工程事故案例中，因零部件疲劳产生的失效占所有失效形式的八成左右。由此看来，对工作于交变载荷环境的工程零部件做疲劳试验以检测零部件疲劳强度和疲劳性能成为力学试验中一个重要环节。图1.1齿轮的疲劳破坏图1.2汽车曲轴断裂疲劳实验有多种类型，其中试件在受到超过107次交变载荷后断裂的疲劳为超高周疲劳[1]。在传统有关材料疲劳的研究中，由于试验装备和试验条件的限制，循环次数范围常限于107以内，属于低周或中周疲劳[2]。传统研究认为材料或零件在107周次循环处存在载荷极限值[3]。如果试件所受的交变载荷低于零件的持久极限值，则认为此零件能承受无限次的交变载荷而永不失效。然而在现代工程领域，尤其高新领域中，相当一部分工程零部件工作于载荷小，频率及循环周次高的交变环境下。这些零部件受力循环次数远远高于107次，有时甚至可达到109~1012次[4,5,6]。例如在一次飞行作业过程中，民航飞机发动机的涡轮叶片会承受高频振动载荷的作用，其载荷应力幅值小，但所受的循环负载次数很高，达到109次[7]。又如一台以300r/min运行的发电机在20年服役期内要经历1010次应力循环。大量试验表明，试件在承受大于107次的载荷，有时甚至在109次应力循环后仍能发生疲劳破坏现象[8]。在我国，与工程领域相关的企
吉林大学硕士学位论文4结构简单，不需要很复杂的制作工艺，材料来源广泛。夹心式压电换能器工作频率在虽然不及石英压电换能器和片状压电陶瓷换能器，但已经满足超声疲劳振动的需要。根据以上讨论，选用夹心式压电换能器作为超声疲劳振动的实现方式。1.2压电式超声疲劳振动系统的研究现状1.2.1国外发展趋势与研究现状在19世纪八十年代，F.Galton就已经开始从事超声波相关研究并发明了气哨，这是最知名的流体动力型超声波发生器。1894年O.Reyrolds观察到超声波在液体中会产生液体空化现象。这个现象在后来水处理、化工、医疗等多个领域具有广泛的应用。一战期间，朗之万(Langevin)发明了夹心复合式压电换能器（图1.3），发展了国内外学者对低频大功率超声领域的研究[14]。20世纪40年代，W.P.Mason发明了指数型变幅杆，开创了超声技术在固体中的应用；同时他提出了等效网络分析方法，将超声波传播的动力学特性与电学特性等效，为后来发展的用于分析复杂结构纵向振动的传输矩阵法提供了理论基矗20世纪50年代，H.B.Miller改进了朗之万夹心复合式换能器的结构，发明了可加载预应力的复合式换能器。同时，Л.Г.Меркуо提出了悬链线型与多级组合型变幅杆，对变幅杆种类进行了扩充。20世纪60年代，E.Eisner提出了一种应力沿杆件均匀分布的高斯型变幅杆，这种变幅杆可以输出很高的位移振幅，发展了超声变幅杆的研究。日本学者森荣司在20世纪70年代提出了表观弹性法，为分析二维振动问题打下了基矗20世纪80年代森荣司提出了夹心式弯曲换能器结构[15,16]，拓宽了换能器在工业方面的应用范围。图1.3Langevin换能器结构图图1.4Bathias超声疲劳试验系统将超声振动技术用于疲劳试验的里程碑是1950年Manson发明的试验机[17]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]橡胶Mooney-Rivlin超弹性本构模型的参数特性研究[J]. 张良,李忠华,马新强. 噪声与振动控制. 2018(S2)
[2]MB8变形镁合金超声疲劳试样解析设计[J]. 邓海鹏,何柏林. 航空材料学报. 2016(04)
[3]超声变幅杆的理论设计与ANSYS仿真分析[J]. 常小龙. 河北农机. 2016(03)
[4]功率超声压电换能器阻抗匹配电路参数化设计[J]. 韩丽轩,于保华,胡小平. 压电与声光. 2015(04)
[5]圆盘式压电双晶片发电性能和耦合电路的仿真分析与研究[J]. 李攀峰,董林玺. 压电与声光. 2014(03)
[6]基于夹心式压电超声换能器设计的数值解法[J]. 王天哲,梁松,张义民. 振动.测试与诊断. 2013(S1)
[7]夹心式功率超声压电陶瓷换能器的工程设计[J]. 林书玉. 声学技术. 2006(02)
[8]超声加工中变幅杆的动力学分析[J]. 赵莉,王时英,轧刚. 电加工与模具. 2005(02)
[9]超声波发生器的频率跟踪电路[J]. 鲍善惠,王敏慧. 洗净技术. 2003(10)
[10]超声技术在化工生产中的应用[J]. 王君,韩建涛,张扬. 当代化工. 2002(04)
本文编号：3493300
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：106 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
齿轮的疲劳破坏
第1章绪论1第1章绪论1.1课题研究背景及意义1.1.1超声疲劳振动技术的提出水陆交通、桥梁建筑、航空航天等现代工程领域中存在大量处于交变工作环境的工程零部件，其主要失效形式为由交变载荷引起的疲劳磨损和疲劳破坏，比如汽车变速器齿轮（图1.1）或发动机曲轴（图1.2）在运行的某一时刻下突然断裂，造成严重的交通事故。据统计，工程事故案例中，因零部件疲劳产生的失效占所有失效形式的八成左右。由此看来，对工作于交变载荷环境的工程零部件做疲劳试验以检测零部件疲劳强度和疲劳性能成为力学试验中一个重要环节。图1.1齿轮的疲劳破坏图1.2汽车曲轴断裂疲劳实验有多种类型，其中试件在受到超过107次交变载荷后断裂的疲劳为超高周疲劳[1]。在传统有关材料疲劳的研究中，由于试验装备和试验条件的限制，循环次数范围常限于107以内，属于低周或中周疲劳[2]。传统研究认为材料或零件在107周次循环处存在载荷极限值[3]。如果试件所受的交变载荷低于零件的持久极限值，则认为此零件能承受无限次的交变载荷而永不失效。然而在现代工程领域，尤其高新领域中，相当一部分工程零部件工作于载荷小，频率及循环周次高的交变环境下。这些零部件受力循环次数远远高于107次，有时甚至可达到109~1012次[4,5,6]。例如在一次飞行作业过程中，民航飞机发动机的涡轮叶片会承受高频振动载荷的作用，其载荷应力幅值小，但所受的循环负载次数很高，达到109次[7]。又如一台以300r/min运行的发电机在20年服役期内要经历1010次应力循环。大量试验表明，试件在承受大于107次的载荷，有时甚至在109次应力循环后仍能发生疲劳破坏现象[8]。在我国，与工程领域相关的企
吉林大学硕士学位论文4结构简单，不需要很复杂的制作工艺，材料来源广泛。夹心式压电换能器工作频率在虽然不及石英压电换能器和片状压电陶瓷换能器，但已经满足超声疲劳振动的需要。根据以上讨论，选用夹心式压电换能器作为超声疲劳振动的实现方式。1.2压电式超声疲劳振动系统的研究现状1.2.1国外发展趋势与研究现状在19世纪八十年代，F.Galton就已经开始从事超声波相关研究并发明了气哨，这是最知名的流体动力型超声波发生器。1894年O.Reyrolds观察到超声波在液体中会产生液体空化现象。这个现象在后来水处理、化工、医疗等多个领域具有广泛的应用。一战期间，朗之万(Langevin)发明了夹心复合式压电换能器（图1.3），发展了国内外学者对低频大功率超声领域的研究[14]。20世纪40年代，W.P.Mason发明了指数型变幅杆，开创了超声技术在固体中的应用；同时他提出了等效网络分析方法，将超声波传播的动力学特性与电学特性等效，为后来发展的用于分析复杂结构纵向振动的传输矩阵法提供了理论基矗20世纪50年代，H.B.Miller改进了朗之万夹心复合式换能器的结构，发明了可加载预应力的复合式换能器。同时，Л.Г.Меркуо提出了悬链线型与多级组合型变幅杆，对变幅杆种类进行了扩充。20世纪60年代，E.Eisner提出了一种应力沿杆件均匀分布的高斯型变幅杆，这种变幅杆可以输出很高的位移振幅，发展了超声变幅杆的研究。日本学者森荣司在20世纪70年代提出了表观弹性法，为分析二维振动问题打下了基矗20世纪80年代森荣司提出了夹心式弯曲换能器结构[15,16]，拓宽了换能器在工业方面的应用范围。图1.3Langevin换能器结构图图1.4Bathias超声疲劳试验系统将超声振动技术用于疲劳试验的里程碑是1950年Manson发明的试验机[17]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]橡胶Mooney-Rivlin超弹性本构模型的参数特性研究[J]. 张良,李忠华,马新强. 噪声与振动控制. 2018(S2)
[2]MB8变形镁合金超声疲劳试样解析设计[J]. 邓海鹏,何柏林. 航空材料学报. 2016(04)
[3]超声变幅杆的理论设计与ANSYS仿真分析[J]. 常小龙. 河北农机. 2016(03)
[4]功率超声压电换能器阻抗匹配电路参数化设计[J]. 韩丽轩,于保华,胡小平. 压电与声光. 2015(04)
[5]圆盘式压电双晶片发电性能和耦合电路的仿真分析与研究[J]. 李攀峰,董林玺. 压电与声光. 2014(03)
[6]基于夹心式压电超声换能器设计的数值解法[J]. 王天哲,梁松,张义民. 振动.测试与诊断. 2013(S1)
[7]夹心式功率超声压电陶瓷换能器的工程设计[J]. 林书玉. 声学技术. 2006(02)
[8]超声加工中变幅杆的动力学分析[J]. 赵莉,王时英,轧刚. 电加工与模具. 2005(02)
[9]超声波发生器的频率跟踪电路[J]. 鲍善惠,王敏慧. 洗净技术. 2003(10)
[10]超声技术在化工生产中的应用[J]. 王君,韩建涛,张扬. 当代化工. 2002(04)
本文编号：3493300
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